O ABC DO LoRa

LoRa ^TM (Long Range) é uma tecnologia de rede recente que vem crescendo bastante nos últimos anos, tendo como principal característica realizar comunicação de longa distância – mais de 15 Km em áreas rurais -, usando o mínimo possível da bateria. Esta rede é baseada em um sistema infraestruturado com topologia estrela, similar a rede de telefonia celular ou uma rede WiFi infraestruturada.
A tecnologia LoRa^TM pode ser dividida em duas partes: a camada física e a camada de comunicação. O protocolo da camada física é chamado de LoRa e tem como principal função manter o enlace de comunicação fazendo a modulação de longo alcance. Este protocolo é propriedade da empresa Semtech. Já o protocolo da camada de comunicação é denominado LoRaWAN (Long Range Wide-Area Network) e é definido pela comunidade LoRa Alliance^TM, que tem como principal função gerenciar o acesso ao meio, a segurança e a conectividade dos dispositivos fim (end-device) com a Internet. A Figura abaixo ilustra a arquitetura LoRa^TM.

Camada Física (LoRa)

       A camada Física emprega uma tecnologia de modulação derivada da modulação CSS (Chirp Spread Spectrum), sendo uma técnica de modulação com espelhamento espectral pertencente a Semtech^TM . Algumas características-chave da camada física são:

1. Largura de banda escalável
2. Resistência a multipercussão (multipath) e desvanecimento
3. Capacidade de longo alcance
4. Capacidade de rede melhorada

        Outra característica do LoRa é a baixa taxa de transmissão, considerando uma conformidade na entrega do pacote, a taxa de transferência pode variar entre 0,3 Kb/s á 11 Kb/s, com largura de banda 250 MHz.

        Desta forma, o LoRa pode ser visto como uma alternativa para a comunicação de longo alcance para dispositivos na chamada Internet das coisas (Internet of things). A tecnologia LoRa é adequada, por exemplo, para sensores implantados em regiões remotas ou para redução de custo de comunicação de sensores inteligentes em grandes centros urbanos.

Camada de comunicação (LoRaWAN)

          O protocolo LoRaWAN tem como responsabilidade garantir segurança, qualidade e ajuste da potência na comunicação, configurando os parâmetros de camada física da modulação CSS. Sendo um padrão aberto, o LoRaWAN é essencial para desenvolvedores de aplicações sobre a tecnologia LoRa pois permite ajustar a performance da rede e criar designs híbridos de acordo com os requisitos da aplicação. Detalhes sobre a arquitetura LoRaWAN podem ser encontrados nas especificações da LoRa Alliance Inc.

 LoRaWAN: Topologia

O padrão LoRaWAN divide a rede LoRaWAN em quatro componentes principais: módulos, gateways, servidores de rede e servidores de aplicação.

1. Os módulos, também chamados end-points ou end-devices, são os sistemas finais que utilizam o protocolo LoRaWAN para envio de dados de suas aplicações. Virtualmente, qualquer dispositivo pode conectar-se a rede LoRaWAN (smartphones, tablets, sistemas embarcados e, até mesmo, PCs), contudo as baixas taxas oferecidas pela rede LoRaWAN não são adequadas para todo tipo de aplicações sendo, portanto, mais adequadas à sistemas embarcados que realizam edge computing (computação de borda) e transmitem periodicamente dados para um sistema de monitoramento, tais como: sensores de movimento, sensores de temperatura, sistemas de monitoramento de posição etc.
2. Os gateways são retransmissores das informações enviadas pelos módulos LoRaWAN, equivalendo a uma Estação Rádio Base (ERB) ou um Ponto de Acesso (Access Point – AP) nas redes celular e WiFi, respectivamente. Cada gateway é responsável por recebe pacotes dos módulos na rede LoRaWAN e os envia aos demais servidores, utilizando alguma outra outra tecnologia de rede. Portanto,  espera-se que o gateway tenha acesso a uma rede TCP/IP para que as mensagens encaminhadas possam ser utilizadas pelos demais sistemas de informação ligados dependentes dos dados enviados pelos módulos. Os gateways podem ainda enviar dados aos módulos para configuração de suas aplicações ou apenas para reconhecimento do dado recebido.
3. Os servidores de rede são responsáveis pelo encaminhamento dos dados enviados pelos gateways aos servidores de aplicação corretos. A criptografia da rede LoRaWAN, por exemplo, se estende do módulo a estes componentes, dando maior segurança na comunicação LoRaWAN.
4. Os servidores de aplicação recebem os dados do servidor de rede, e de acordo com as informações recebidas executam uma ou mais ações a nível da aplicação do usuário. Este serviço é geralmente hospedado juntamente ao servidor de rede.

LoRaWAN: Classes

        O padrão LoRaWAN divide os módulos em três classes A, B e C. Enquanto a classe A é a classe básica (deve ser obrigatoriamente implementada pelo módulo), as classes B e C são opcionais. A Classe A é a mais recomendada pela LoRa Alliance, pois possui menor consumo de energia que as demais, o que é uns dos foco do LoRa. Outra particularidade desta classe é que o módulo sempre inicia a comunicação na rede enviando um pacote no canal de transmissão (essa janela é denominada de Transmit, vide figura abaixo) e logo após são abertas duas janelas de recepção (denominadas de RX1 e RX2). O tempo de abertura das janelas de recepção RX1 e RX2 são configurações a ser feita no módulo e variam de aplicação para aplicação.

    A Classe B difere da Classe A porque oferece a opção de abrir mais janelas de recepção (chamadas de ping-slot) configuradas em horários programados (vide figura abaixo). A abertura da janela ping-slot por parte do módulo depende do envio de uma mensagem especial do gateway (denominada Beacon, ou BCN na figura).

       Dispositivos operando em Classe C estão sempre com a janela de recepção 2 (RX 2) aberta, não  sendo necessário nenhuma mensagem específica para identificar que um dispositivo esteja operando em classe C. Este modo de operação é indicado apenas em casos especiais, já dispositivos na Classe C consomem mais energia.

Finalizando

A tecnologia LoRa/LoRaWAN vem ganhando tração no mercado justamente por oferecer uma solução adequada ao problema de comunicação de longo alcance de dispositivos na Internet das Coisas. Para mais detalhes sobre a tecnologia LoRaWAN verifique a especificação da LoRa Alliance (em inglês). Uma outra introdução ao LoRaWAN em português, inclusive com mais detalhes sobre os aspectos de segurança da tecnologia, podem ser encontrados aqui.